Парижский эталон массы
Фото: NIST/Science Source/DIOMEDIA
26-я Генеральная конференция по мерам и весам одобрила отказ от материального международного эталона килограмма. Теперь масса килограмма будет определяться через постоянную Планка с помощью довольно сложного прибора под названием «весы Киббла». Россия не будет покупать этот прибор за рубежом, в Росстандарте готовится проект отечественного варианта весов Киббла, разработка и изготовление которых даст дополнительный импульс развитию российских высокоточных технологий и апробации новых современных технических решений.
Постоянный килограмм
Эталон килограмма — цилиндр, сделанный из платино-иридиевого сплава, хранящийся в Международном бюро мер и весов во Франции, решено заменить. Теперь единицу массы будут определять с помощью постоянной Планка. Что это такое и зачем это нужно, рассказывают Александр Максимычев, заведующий кафедрой общей физики МФТИ, и Андрей Батурин, директор Всероссийского НИИ оптико-физических измерений.
Идея сделать нерукотворный эталон килограмма возникла давно, потому что все, что сделано руками человека, несовершенно и служит ограниченное время. А эффекты природы универсальны и могут быть воспроизведены где угодно во Вселенной.
Постоянная Планка характеризует квантовый характер явлений микромира, задает масштаб дискретности, например, уровней энергии или «ячеек» фазового пространства в микромире. Это естественное мерило, естественный эталон для микроскопических объектов: электронов, атомов. Постоянная Планка задает калибр для микромира во многих областях. Например, энергия фотона пропорциональна частоте, и пропорциональность задается постоянной Планка.
Вот и было решено на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам отныне определять килограмм через постоянную Планка, но для этого понадобился высокоточный прибор — весы Киббла.
Весы Киббла
Фото: EPA/ТАСС
Ватт-весы, или весы Киббла
Этот сложный и точный прибор предназначен для взвешивания без гирь. Весы названы в честь британского ученого Киббла, предложившего такой метод.
В обычных весах есть две чашки, на одну кладут взвешиваемый объект, например, сахар, на вторую калиброванные гирьки, то есть известной массы. С точки зрения физики в гравитационном поле Земли мы уравновешиваем две силы тяжести, действующие на гирьку и на сахар.
Но силу тяжести можно уравновесить с помощью другой силы. И весы Киббла — это тоже весы, очень сложной конструкции, но весы. На одной чашке размещается груз, и на него действует сила тяжести. А вместо второй чаши весов — электромагнитная катушка, которая создает магнитную силу. Магнитное поле катушки взаимодействует с полем постоянного магнита, и эта магнитная сила уравновешивает силу тяжести, действующую на взвешиваемый объект.
Это очень похоже на токовые весы (ампер-весы), когда измеряют величину электрического тока в катушке и определяют магнитную силу. Однако в весах Киббла (ватт-весах) сделан важный шаг к повышению точности. Для того чтобы исключить погрешность, обусловленную геометрией катушки, измеряют напряжение электромагнитной индукции при движении катушки с постоянной скоростью в том же самом магнитном поле, что и при «взвешивании». Скорость катушки при этом измеряют при помощи высокоточного интерферометра. Напряжение и ток сейчас ученые умеют очень точно измерять, используя квантовые эффекты: квантовый эффект Холла и эффект Джозефсона.
Дальше нужен абсолютный гравиметр, чтобы знать ускорение свободного падения в том месте, где размещается установка. Произведение массы и ускорения свободного падения — это действующая сила тяжести в данной точке.
В итоговой формуле расчета массы по весам Киббла кроме измеренных (см. выше) величин входит одна фундаментальная константа — постоянная Планка.
Когда килограмм был определен через эталонную гирю, весы Киббла использовали для наиболее точного измерения постоянной Планка. Теперь же, приняв (зафиксировав) значение постоянной Планка равным 6,62607015 на 10 в минус 34 степени Дж*сек, можно использовать весы Киббла для взвешивания.
Как работают весы Киббла
Как работают весы Киббла
Знак после запятой
Может показаться, что существующие сейчас эталоны, включая государственный первичный эталон, станут не нужны. Это не так. Переход к новым определениям единиц СИ позволяет изменить конструкцию первичных эталонов, сделав их точнее и избавив от «артефакта», произведенного человеком. Теперь любая квалифицированная лаборатория, обладающая достаточными финансами, может воспроизвести единицу с высокой точностью на самом передовом уровне. Однако если точность отдельных элементов и узлов не будет достаточной, то установка, построенная по принципу весов Киббла, не обеспечит ожидаемую «высшую точность». Поэтому для обеспечения единства измерений в стране, для того чтобы все измерения проводились в одних единицах с ожидаемой точностью, требуется сохранять и совершенствовать систему эталонов. Кроме того, весы Киббла — очень недешевое удовольствие, и для калибровки массово применяемых рабочих средств измерений подойдут эталоны попроще, которые используются и сегодня. А «высшая точность» окажется востребована современными высокими технологиями в науке и промышленности.
Возникает вопрос: если каждый может сделать эталон, по точности не уступающий первичному, то как быть в ситуации, когда результаты воспроизведения килограмма на двух эталонах получатся различными?
Для этой цели метрологи всего мира проводят международные сличения, когда один и тот же объект «взвешивают» на первичных эталонах разных государств и сравнивают результаты. Если у кого-то результат слишком сильно отклоняется от общего среднего, скорее всего, в работе этого эталона есть неточности и он требует настройки. Государства, успешно завершившие международные сличения, начинают признавать измерительные и калибровочные возможности друг друга по данному виду измерений, а сведения об этом заносятся в базу данных Международного бюро по мерам и весам.
Весов Киббла в России пока нет. На 2015 год (более поздних сводных официальных данных нет) действующие или находящиеся в высокой степени готовности к измерениям весы Киббла имелись в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST), Федеральной службе метрологии Швейцарии (METAS), Институте национальных измерительных стандартов при Национальном исследовательском совете Канады (NRC-INMS), Национальной лаборатории метрологии и испытаний Франции (LNE), Национальном институте метрологии Китая (NIM), лаборатории Бюро стандартов Новой Зеландии (MSL) и Корейском институте эталонов и науки (KRISS, Южная Корея). Они и стали первыми обладателями нового килограмма.
Сейчас Росстандарт готовит проект по созданию российских весов Киббла, которые нужны и по объективным причинам, и из соображений государственного престижа. Кроме того, это возможность испробовать новые технологии для российских высокоточных производств, так как в конструкции весов применяются самые современные технические решения. Кстати, небольшой запас времени еще есть, в ноябре в Версале только проголосовали за «новый килограмм», а официально решение вступит в силу во Всемирный день метрологии 20 мая 2019 года.
Измерения прямые и косвенные
Прямое измерение — это измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений.
Косвенные измерения — измерения, при которых значение величины определяют (находят) путем вычисления (на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям).
Зачем нужны эталоны
Прежде всего, эталоны появились для обеспечения торговли, в том числе международной. Если мы обмениваем один товар на другой, то должны быть уверены, что метры сукна, килограммы зерна мы меряем одинаковыми единицами.
Вторая область, где необходимы эталоны,— это наука. Проблема качества измерения в науке и интернациональный его характер — вещь важнейшая. Кто-то из физиков сказал, что в любом знаке после запятой таится открытие: что-нибудь да найдете. И действительно: было сделано много открытий, когда повышалась точность измерений.
Старые эталоны
Международная система единиц (СИ), ныне действующая, берет начало в «метрической системе мер», разработанной французскими учеными в годы Великой французской революции. В качестве эталонов длины и массы исходно были предложены не зависящие от человека материальные объекты: длина 40-миллионной части Парижского меридиана — это метр, масса литра воды — это килограмм. Но это оказалось не практично, поэтому появился эталон метра в виде платинового (впоследствии платино-иридиевого) бруска. Эталоном килограмма стал цилиндр (гиря) — тоже сначала платиновый, потом платино-иридиевый. Гиря воспроизводила вес одного литра воды при температуре 4?С (наибольшая плотность). Для обеспечения единства измерений во всем мире эталоны были откопированы и розданы в страны—участницы Метрической конвенции, в том числе в Россию. Копии эталонов через определенные промежутки времени привозили обратно в Париж в Международное бюро мер и весов и сравнивали с исходным килограммом. За истекшее время — больше ста лет — массы разных копий эталона килограмма разошлись на десятки микрограмм. Это незаметно при бытовом применении, но для современного уровня науки уже существенно.